CN104665962A - 可穿戴式功能增强机器手***及其辅助手指和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可穿戴式功能增强机器手***及其辅助手指，辅助手指绳驱动，利用与驱动绳连接的弹簧形成力传感；环形肌电采集阵列穿戴于使用者前臂，用于估计使用者腕部和手指的运动及力的信息，并根据提取的位置和力信息对使用者的行为意图进行评估，从而做出相应的决策，辅助或者增强手指活动功能。被动式手臂机构分担人体腕部和手指承受的力，在不影响人体正常活动的情况下，能够起到助力和增强手指功能的作用。同时提供了上述机器手***的控制方法。本发明结构紧凑，重量轻，柔顺性，安全性好，可以最大限度的增强手部功能，使使用者的自然手从事其他任务，在工业，农业，家用，娱乐等方面具有较好的使用潜力。

Description

可穿戴式功能增强机器手***及其辅助手指和控制方法

技术领域

本发明涉及可穿戴式机器人***，具体是一种基于肌电接口的可穿戴式功能增强机器手***及其辅助手指和控制方法，以增强单手功能。

背景技术

可穿戴式设备及人机协同机器人技术日渐成为近些年来的研究热点，借助于人本来就具有的功能等，可穿戴式设备如外骨骼机器人能够使人机兼容，广泛应用于助力，康复，娱乐等领域，增强或拓展了个人技能，人机协同作业更加密切和实用化。

目前已存在各式各样的可穿戴式设备，主要提供力量支持或者辅助。但是既提供助力又能够人机协同完成某项任务的设备并不多见，单一的助力设备或康复设备虽然起到了助力作用，但是也有可能限制其他功能的发挥，另外一些助力设备因为体积大，会对人的活动空间造成不便，因而，灵巧型的可穿戴设备，既需要满足助力需求，也需要满足人机协同的要求，另外还需要体积小，能耗，成本低。

经过对现有的技术文献检索发现：

中国实用新型专利公开号：CN 202537871 U，名称：一种手部及腕部外骨骼康复训练装置。该外骨骼设备主要应用于康复，并有助力装置，但是助力装置仅固定在前臂，会对人的肘部产生额外负重，不利用长期使用。

中国实用新型专利公开号：CN 200954207 Y，名称：一种基于外骨骼的手臂康复器。提供了一种上肢康复训练装置，但是机构复杂，便携性差，且控制方式单一，无法实时评估人体行为意图，不能提供人机协同决策，不利于用户操作。

发明内容

本发明针对现有技术上存在的不足，提供一种基于肌电控制策略的可穿戴式功能增强机器手***及其辅助手指和控制方法，不仅用于助力，且用于人机协同作业。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种辅助手指，包括仿人手指、手指基座、电机a2、电机a3、电机a4，其中，所述仿人手指采用驱动绳驱动，并具有夹持自由度、屈伸自由度和回收自由度三个自由度；所述电机a4直接与仿人手指驱动连接，用于实现仿人手指的回收自由度；所述电机a4的转轴上连接有减速器，所述减速器的输出轴上连接有一个用于实现仿人手指夹持自由度的转轴，所述仿人手指通过驱动绳依次连接转轴和驱动电机a2，所述转轴与驱动电机a2驱动连接；所述仿人手指通过驱动绳与电机a3驱动连接，用于实现仿人手指的弯曲自由度；

所述仿人手指连接在手指基座上；所述手指基座包括控制板安装面c2、腕部连接器c3和模块化关节接口c1，其中：

所述控制板安装面c2上安装有控制面板，所述控制面板与电机a2、电机a3、电机a4控制连接；

所述腕部连接器c3上设有用户手腕；

所述模块化关节接口c1上安装有三自由度模块化关节；

所述模块化关节接口c1、控制板安装面c2、腕部连接器c3与仿人手指的连接关系或驱动关系具体为：所述模块化关节接口c1设有关节连接法兰，所述三自由度模块化通过关节连接法兰与手指基座紧固连接；所述用户手腕设有至少一个用户腕部几何适配接口，通过调整接口半径适配不同用户需求；所述控制板安装面c2上设有用于控制面板连接的螺纹孔；所述仿人手指通过驱动绳、预紧部件以及手指连接法兰与三自由度模块化关节连接，使其运动。

优选地，所述电机a2、电机a3和电机a4上分别设***盘，用于控制仿人手指的位置。

优选地，所述转轴与驱动电机a2之间设有绳驱动滑轮p1；所述仿人手指与驱动电机a3之间设有绳驱动滑轮p2；所述驱动绳分别绕过绳驱动滑轮p1和绳驱动滑轮p2，并分别形成闭合回路；

所述绳驱动滑轮p1和绳驱动滑轮p2分别固定在转轴上。

优选地，所述辅助手指还包括：位置传感器和力传感器，其中：

所述仿人及其手指的每一个手指关节上均设有一个位置传感器，用于检测手指关节位置信息，进而得到每个手指关节的弯曲角度；

所述力传感器包括与驱动绳连接的弹簧以及用于检测弹簧变形所产生电位的线性电位计，通过检测到的电位得到弹簧的变形量，进而得到每个手指关节力/力矩的大小。

优选地，所述仿人手指包括对称设置的两根连杆结构，其中，每一根连杆结构均包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆和第二连杆之间通过铰接方式连接。

根据本发明的第二个方面，提供了一种可穿戴式功能增强机器手***，包括自适应前臂连接器b1、上臂连杆b2、前臂连杆b4、环形肌电采集阵列以及上述的辅助手指，其中：

所述自适应前臂连接器b1通过球关节与上臂连杆b2连接，所述上臂连杆b2通过铰接机构b3与前臂连杆b4连接，所述前臂连杆b4通过球关节接口b5与辅助手指手指基座的腕部连接器c3连接；

所述环形肌电采集阵列设置于前臂连杆上；

所述上臂连杆b2和前臂连杆b4的长度可调节。

优选地，所述铰接机构b3的转轴上设***盘，用于记录人体肘部位置信息，为构建人及协调机制提供输入信息。

根据本发明的第三个方面，提供了一种可穿戴式功能增强机器手***的控制方法，采用基于肌电的Isometric(等长收缩)控制方式，在使用者手部不运动但是存在肌肉收缩情况下，通过环形肌电采集阵列采集到的肌电信号，经过模式识别，判断使用者运动意图，实现初步的手势控制。

优选地，还包括如下步骤：通过对仿人手指的刚度评估和连续运动估计，实现仿人手指的阻抗控制和连续位置控制，并与力传感器获得的每个手指关节力/力矩以及电机a2、电机a3和电机a4的码盘控制的每个手指关节的弯曲角度，构建特定的人机协同控制策略。

优选地，所述阻抗控制具体为：通过力传感器获得的力信息和环形肌电采集阵列获得的肌电信号进行信息融合，以获得相应的刚度序列，并用于控制手指刚度，实现人机协同控制；

所述连续位置控制具体为：基于肌电信号的连续运动估计，构建基于手指关节弯曲角度和肌电信号之间的线性关系。

发明的工作原理为：辅助手指采用腱(驱动绳)驱动，可折叠，每个关节都有位置传感器，用于检测关节位置信息；以及利用与驱动绳连接的弹簧制成基于位移测量的力传感装置，其根据弹簧的变形估计每个关节力/力矩大小；环形肌电采集阵列穿戴于使用者前臂，用于估计使用者腕部和手指的运动及力的信息，并根据提取的位置和力信息对使用者的行为意图进行评估，从而做出相应的决策，辅助或者增强手指活动功能。被动式手臂机构包括：自适应前臂连接器、上臂连杆、前臂连杆，用于分担人体腕部和手指承受的力，通过球关节和腕部连接器相连，通过铰接方式连接前臂和上臂，从而在不影响人体正常活动的情况下，能够起到助力和增强手指功能的作用。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、仿人手指采用绳驱动，具有三个自由度，通过模块化关节接口c1实现，减小了手指的重量和体积，具有轻便、灵巧的特点，适合长时间佩戴。

2、三个自由度分配如下：一个夹持自由度，用于夹持物体；一个手指屈伸自由度，用于适应不同的物体轮廓和增加手指的运动空间；一个回收自由度，以便手指不工作时，沿着人的前臂折叠，减少占用空间。

3、上臂连杆和前臂连杆的长度可调，以适应不同肘长的用户需求。

4、可穿戴式功能增强机器手***结构紧凑，重量轻，柔顺性，安全性好，可以最大限度的增强手部功能，从而可使使用者的自然手从事其他任务。

5、可穿戴式功能增强机器手***，采用肌电控制方式，通过力传感器获得的力信息和肌电采集阵列获得的肌电信号进行信息融合，实现人机协同控制，便于使用者控制操作。

6、本发明在工业、农业、家用、娱乐等方面具有广泛的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明可穿戴式功能增强机器手***整体结构示意图；

图2为腕-肘助力结构图；

图3为实现三自由度的电机设置结构图；

图4为手指基座分解图；

图5为仿人手指的单连杆结构示意图；

图6为驱动绳布线图；

图7为位置传感器、力传感器和环形肌电采集阵列功能图；

图8为基于肌电的控制方式总图；

图9为采用基于肌电的Isometric控制方法流程图；

图10为连续位置控制方法流程图。

图中：1为第一连杆，2为第二连杆，a1为第一连杆驱动滑轮，a2为电机a2，a3为电机a3，a4为电机a4，a5为电机a2驱动器，a6为电机a4控制器，a7为电机a3控制器，a8为肌电采集阵列，b1为自适应前臂连接器b1，b2为上臂连杆b2，b3为铰接机构b3，b4为前臂连杆b4，b5为球关节接口b5，p1为绳驱动滑轮p1，p2分别绳驱动滑轮p2，c1为模块化关节接口c1，c2为控制板安装面c2，c3为腕部连接器c3，d1为绳驱预紧轮，j1为手指第一关节，j2为手指第二关节，j3为手指第三关节。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种辅助手指，包括仿人手指、手指基座、电机a2、电机a3、电机a4，其中，所述仿人手指采用驱动绳驱动，并具有夹持自由度、屈伸自由度和回收自由度三个自由度；所述电机a4直接与仿人手指驱动连接，用于实现仿人手指的回收自由度；所述电机a4的转轴上连接有减速器，所述减速器的输出轴上连接有一个用于实现仿人手指夹持自由度的转轴，所述仿人手指通过驱动绳依次连接转轴和驱动电机a2，所述转轴与驱动电机a2驱动连接；所述仿人手指通过驱动绳与电机a3驱动连接，用于实现仿人手指的弯曲自由度；

所述仿人手指连接在手指基座上；所述手指基座包括控制板安装面c2、腕部连接器c3和模块化关节接口c1，其中：

所述控制板安装面c2上安装有控制面板，所述控制面板与电机a2、电机a3、电机a4控制连接；

所述腕部连接器c3上设有用户手腕；

所述模块化关节接口c1上安装有三自由度模块化关节；

所述模块化关节接口c1、控制板安装面c2、腕部连接器c3与仿人手指的连接关系或驱动关系具体为：所述模块化关节接口c1设有关节连接法兰，所述三自由度模块化通过关节连接法兰与手指基座紧固连接；所述用户手腕设有至少一个用户腕部几何适配接口，通过调整接口半径适配不同用户需求；所述控制板安装面c2上设有用于控制面板连接的螺纹孔；所述仿人手指通过驱动绳、预紧部件以及手指连接法兰与三自由度模块化关节连接，使其运动。

进一步地，所述电机a2、电机a3和电机a4上分别设***盘，用于控制仿人手指的位置。

进一步地，所述转轴与驱动电机a2之间设有绳驱动滑轮p1；所述仿人手指与驱动电机a3之间设有绳驱动滑轮p2；所述驱动绳分别绕过绳驱动滑轮p1和绳驱动滑轮p2，并分别形成闭合回路；

所述绳驱动滑轮p1和绳驱动滑轮p2分别固定在转轴上。

进一步地，所述辅助手指还包括：位置传感器和力传感器，其中：

所述仿人及其手指的每一个手指关节上均设有一个位置传感器，用于检测手指关节位置信息，进而得到每个手指关节的弯曲角度；

所述力传感器包括与驱动绳连接的弹簧以及用于检测弹簧变形所产生电位的线性电位计，通过检测到的电位得到弹簧的变形量，进而得到每个手指关节力/力矩的大小。

进一步地，所述仿人手指包括对称设置的两根连杆结构，其中，每一根连杆结构均包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆和第二连杆之间通过铰接方式连接。

在本实施例中：

仿人手指采用绳驱动，具有三个自由度，通过模块化关节接口c1实现，减小了手指的重量和体积，轻便，灵巧。

三个自由度分配如下：一个夹持自由度，用于夹持物体；一个手指屈伸自由度，用于适应不同的物体轮廓和增加手指的运动空间；一个回收自由度，以便手指不工作时，沿着人的前臂折叠，减少占用空间。

三个自由度的实现方式如下：电机a4直接驱动手指，主要用于折叠手指和拓展手指的运动空间；在a4电机的转轴上连接减速器，减速器输出轴上连接一个用于夹持自由度的转轴，通过绳驱动滑轮p1来实现，驱动电机为a2；电机a3连接滑轮p2，用于手指的弯曲运动，所述的三个电机上均装***盘，用于控制手指的位置。

手指基座如图4所示，包括控制板安装面c2，腕部连接器c3，模块化关节接口c1。

力传感器包括弹簧和电位计，弹簧连接于驱动绳上，力传感器的执行机构为弹簧，通过电位计检测弹簧的变形产生的电位，进而得到弹簧的变形量，获得仿人手指的力/力矩的大小。

驱动绳的绕线方式如图6所示，每种绕线方式均构成一个闭合回路，完成一种仿人手指的运动。

仿人手指每一根连杆结构的第一连杆和第二连杆通过铰接方式连接，转轴上固定绳驱动滑轮，通过绳驱动滑轮绕线实现连杆结构的运动。

实施例2

本实施例提供了一种可穿戴式功能增强机器手***，包括自适应前臂连接器b1、上臂连杆b2、前臂连杆b4、环形肌电采集阵列以及实施例1提供的辅助手指，其中：

所述自适应前臂连接器b1通过球关节与上臂连杆b2连接，所述上臂连杆b2通过铰接机构b3与前臂连杆b4连接，所述前臂连杆b4通过球关节接口b5与辅助手指手指基座的腕部连接器c3连接；

所述环形肌电采集阵列设置于前臂连杆上；

所述上臂连杆b2和前臂连杆b4的长度可调节。

进一步地，所述铰接机构b3的转轴上设***盘，用于记录人体肘部位置信息，为构建人及协调机制提供输入信息。

本实施例提供的可穿戴式功能增强机器手***，其控制方法，采用基于肌电的Isometric(等长收缩)控制方式，在使用者手部不运动但是存在肌肉收缩情况下，通过环形肌电采集阵列采集到的肌电信号，经过模式识别，判断使用者运动意图，实现初步的手势控制。

进一步地，还包括如下步骤：通过对仿人手指的刚度评估和连续运动估计，实现仿人手指的阻抗控制和连续位置控制，并与力传感器获得的每个手指关节力/力矩以及电机a2、电机a3和电机a4的码盘控制的每个手指关节的弯曲角度，构建特定的人机协同控制策略。

进一步地，所述阻抗控制具体为：通过力传感器获得的力信息和环形肌电采集阵列获得的肌电信号进行信息融合，以获得相应的刚度序列，并用于控制手指刚度，实现人机协同控制；

所述连续位置控制具体为：基于肌电信号的连续运动估计，构建基于手指关节弯曲角度和肌电信号之间的线性关系。

本实施例提供的控制方法包括如下三种控制模式：

-简单手势控制模式：

通过肌电信号的手势识别，获得用户手部手势，作为机械手指的控制信号，实现简单的开关操作，如开合，俯仰等动作。其控制原理如图9所示。

图9中，信号分割方法是，检测到的肌电信号分成200ms长度的叠窗，递增长度为50ms；特征提取采用时域自回归特征模型参数，或者波长WL(Waveform Length)、平均绝对值MAV(Mean Absolute Value)等特征。特征降维采用主成分分析法PCA(PrincipalComponent Analysis)，分类算法采用线性判别分析法LDA(Linear DiscriminativeAnalysis)。

-连续位置控制模式：

该模式基于肌电信号的连续运动估计，其模型基于关节的运动角度和肌电信号近似线性关系。控制流程如图10所示。图中公式依次为：

$\mathrm{IEMG}=\underset{t_l}{\overset{t_l+t_0}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\mathrm{EMG}}_t\right|$

$\mathrm{AIEMG}\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{t=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{IEMG}\left(t\right)\right|$

$V\left(m\right)=\frac{1}{L}\underset{t=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{AIEMG}\left(m\right)$

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\frac{V\left(m\right)-V_{\mathrm{ij}}^{\min }}{V_{\mathrm{ij}}^{\max }-V_{\mathrm{ij}}^{\min }}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}^{\max }$

结合图10，公式中的N代表一帧中的采样点数，t表示在第t采样点，k表示第k个平均帧。分别表示手指关节在三个自由度上的运动极限位置，i表示关节类别，j表示相应的关节运动类别，t₁为加窗时间间隔，t₀为计算起始时间。

-力控制模式：

力控制模型基于肌肉-力Hill模型，力估计算法如下：

$F=F^t=F_{\max }[F_A\left(l_m\right)*F_V\left({\hat{V}}_m\right)*a\left(t\right)+{\hat{F}}_p\left(l_m\right)]\cos \mathrm{\φ}$

其中：

F^t：肌腱产生的力；

a(t)：肌肉驱动量；

F_max：肌肉等长收缩最大力；

F_A(l_m)：主动力和肌肉关系；

肌肉-速度关系；

φ：肌腱和肌肉纤维夹角；

F_A：主动力；

l_m：肌肉长度；

F_V：肌肉-速度力；

运动速度；

被动力和肌肉关系；

被动力。

下面对控制方法进一步描述：

用户穿戴好可穿戴式功能增强机器手***，当人体产生运动时，随之产生肌电信号，信号通过无线蓝牙传给计算机，信号处理经过以下几种方式实现：

(1)通过模式识别，获得人体手势，可以用来进行诸如开合等操作；

(2)通过连续运动评估，获得人体手指关节运动位置和速度，构建机器人手指与人体手指的空间相对位置关系，通过人眼对物体的识别，实现抓取单手不能完成的任务，如单手抓篮球，足球等。

(3)通过对肌电信号的阻抗信息提取，实现机器人手指的阻抗控制，从而配合人体手臂自身阻抗的变化，协调人机合作。

(4)通过肌电信号和机器人手指位置信息和力信息的融合，构建人机协作***，是机器人理解人体行为意图，实现机器人的智能化。

本实施例提供的可穿戴式功能增强机器手***，解决了工业生产中长时间单纯依赖于手部造成腕部肌肉疲劳的问题，通过采用被动式助力结构(自适应前臂连接器b1、上臂连杆b2、前臂连杆b4)，使手部负载分担到人体上臂，有效缓解手部的工作压力，由于采用被动式助力，无需供电，因而减少了机器手***本体的重量和体积，使整个机器手***轻量化。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种辅助手指，其特征在于，包括仿人手指、手指基座、电机a2、电机a3、电机a4，其中，所述仿人手指采用驱动绳驱动，并具有夹持自由度、屈伸自由度和回收自由度三个自由度；所述电机a4直接与仿人手指驱动连接，用于实现仿人手指的回收自由度；所述电机a4的转轴上连接有减速器，所述减速器的输出轴上连接有一个用于实现仿人手指夹持自由度的转轴，所述仿人手指通过驱动绳依次连接转轴和驱动电机a2，所述转轴与驱动电机a2驱动连接；所述仿人手指通过驱动绳与电机a3驱动连接，用于实现仿人手指的弯曲自由度；

所述仿人手指连接在手指基座上；所述手指基座设有控制板安装面c2、腕部连接器c3和模块化关节接口c1，其中：

所述控制板安装面c2上安装有控制面板，所述控制面板与电机a2、电机a3、电机a4控制连接；

所述腕部连接器c3上设有用户手腕；

所述模块化关节接口c1上安装有三自由度模块化关节；

所述模块化关节接口c1设有关节连接法兰，所述三自由度模块化通过关节连接法兰与手指基座紧固连接；所述用户手腕设有至少一个用户腕部几何适配接口；所述仿人手指通过驱动绳、预紧部件以及手指连接法兰与三自由度模块化关节连接。

2.根据权利要求1所述的辅助手指，其特征在于，所述电机a2、电机a3和电机a4上分别设***盘，用于控制仿人手指的位置。

3.根据权利要求1所述的辅助手指，其特征在于，所述转轴与驱动电机a2之间设有绳驱动滑轮p1；所述仿人手指与驱动电机a3之间设有绳驱动滑轮p2；所述驱动绳分别绕过绳驱动滑轮p1和绳驱动滑轮p2，并分别形成闭合回路；

所述绳驱动滑轮p1和绳驱动滑轮p2分别固定在转轴上。

4.根据权利要求1所述的辅助手指，其特征在于，所述辅助手指还包括：位置传感器和力传感器，其中：

所述仿人及其手指的每一个手指关节上均设有一个位置传感器，用于检测手指关节位置信息，进而得到每个手指关节的弯曲角度；

所述力传感器包括与驱动绳连接的弹簧以及用于检测弹簧变形所产生电位的线性电位计，通过检测到的电位得到弹簧的变形量，进而得到每个手指关节力/力矩的大小。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的辅助手指，其特征在于，所述仿人手指包括对称设置的两根连杆结构，其中，每一根连杆结构均包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆和第二连杆之间通过铰接方式连接。

6.一种可穿戴式功能增强机器手***，其特征在于，包括自适应前臂连接器b1、上臂连杆b2、前臂连杆b4、环形肌电采集阵列以及权利要求1至5中任一项所述的辅助手指，其中：

所述自适应前臂连接器b1通过球关节与上臂连杆b2连接，所述上臂连杆b2通过铰接机构b3与前臂连杆b4连接，所述前臂连杆b4通过球关节接口b5与辅助手指手指基座的腕部连接器c3连接；

所述环形肌电采集阵列设置于前臂连杆上；

所述上臂连杆b2和前臂连杆b4的长度可调节。

7.根据权利要求6所述的可穿戴式功能增强机器手***，其特征在于，所述铰接机构b3的转轴上设***盘，用于记录人体肘部位置信息。

8.一种可穿戴式功能增强机器手***的控制方法，其特征在于，采用基于肌电的等长收缩控制方式，在使用者手部不运动但是存在肌肉收缩情况下，通过环形肌电采集阵列采集到的肌电信号，经过模式识别，判断使用者运动意图，实现初步的手势控制。

9.根据权利要求8所述的可穿戴式功能增强机器手***的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：通过对仿人手指的刚度评估和连续运动估计，实现仿人手指的阻抗控制和连续位置控制，并与力传感器获得的每个手指关节力/力矩以及电机a2、电机a3和电机a4的码盘控制的每个手指关节的弯曲角度，构建特定的人机协同控制策略。

10.根据权利要求9所述的可穿戴式功能增强机器手***的控制方法，其特征在于，所述阻抗控制具体为：通过力传感器获得的力信息和环形肌电采集阵列获得的肌电信号进行信息融合，以获得相应的刚度序列，并用于控制手指刚度，实现人机协同控制；

所述连续位置控制具体为：基于肌电信号的连续运动估计，构建基于手指关节弯曲角度和肌电信号之间的线性关系。